CN116922532A - 一种电磁吸波混凝土多层3d打印路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，所述电磁吸波混凝土为能3D打印的混凝土，配方中包括吸水树脂和钢纤维；所述方法的具体步骤是：步骤一：利用PC端使用建模软件和切片软件设置打印模型和对打印模型进行切片分层，得到多层切片模型，获得各层切片模型的模型路径的起始点A和终点B；步骤二：根据起始点A和终点B确定各层切片模型的模型路径点序，构建相邻两点的点间矢量，确定每层的打印矢量，按照弓形打印路径完成平面路径拟合，每层弓形打印路径存在旋转角，所述旋转角为30°～60°或120°～150°，且任意相邻两层的打印路径垂直。所述规划方法能更有效地匹配电磁波的阻抗，提高了吸收效果。

Description

一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法
技术领域
本发明涉及电磁吸波增材制造技术领域，具体来说是涉及一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法。
背景技术
电磁吸波增材制造技术是一种结合了电磁吸波材料和三维打印技术的先进制造方法。电磁吸波材料是一种能够吸收、反射或散射电磁波的材料，它在电磁波频段具有特殊的吸波性能。电磁吸波材料广泛应用于电子设备、航空航天、军事防护等领域，用于降低电磁波的反射和散射，提高设备的隐身性能。传统的电磁吸波材料制造通常采用模压、涂覆等方法，制造过程繁琐且难以实现复杂形状的制造。随着三维打印技术的发展，人们开始探索将电磁吸波材料与三维打印技术相结合，实现快速制造复杂形状的电磁吸波器件。电磁吸波增材制造技术在电子信息、电磁波防护等领域具有广阔的应用前景。
混凝土多层3D打印技术是一种将传统混凝土建筑施工与三维打印技术相结合的新型建筑制造方法。相比传统的施工方式，混凝土多层3D打印技术具有施工速度快、材料利用率高、施工成本低等优势，同时还能实现复杂形状的建筑物制造。目前，混凝土多层3D打印技术已经在建筑领域得到广泛研究和应用。许多研究人员致力于改进混凝土材料的打印性能、提高打印速度、优化结构设计等方面的问题。然而，由于混凝土材料的特殊性，多层3D打印过程中容易出现裂纹、粘结不良等问题，限制了该技术的发展。因此，结合电磁吸波增材制造技术和混凝土多层3D打印技术，开发一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，具有重要的理论和应用价值。
现有技术中3D打印的电磁吸波混凝土多是直接进行上下层相同的直线路径规划，还未有通过调整路径规划方式来提高电磁吸波混凝土的电磁吸波性能的报道。本发明通过合理设计路径规划，可以实现电磁吸波材料的均匀分布和良好粘结，提高打印结构的力学性能和电磁性能，解决混凝土多层3D打印过程中的材料粘结、结构稳定性和电磁吸波性能等问题，还可以优化电磁吸波混凝土多层3D打印的施工效率，减少制造成本，推动电磁吸波增材制造技术在建筑领域的应用。此外，通过路径规划方法的研究，还可以为其他材料的多层3D打印提供参考，拓展多层3D打印技术的应用范围。
总之，电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法的研究在电磁吸波增材制造技术和混凝土多层3D打印技术的交叉领域具有重要的理论和实际意义，为建筑领域的创新发展提供了新的思路和方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法。所述规划方法中使填充的弓形打印路径存在旋转角，且任意相邻两层的打印路径垂直，单数层和双数层的打印路径发生改变，通过改变打印路径的层间变化和利用打印过程中的吸水树脂、钢纤维等材料来对3D打印混凝土的电磁吸波性能进行优化，拓宽了电磁吸波混凝土反射率在-10dB以下的频带宽度，推动3D打印电磁吸波混凝土在实际工程中的应用。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，所述电磁吸波混凝土为能3D打印的混凝土，配方中包括吸水树脂和钢纤维；所述方法的具体步骤是：
步骤一：利用PC端使用建模软件和切片软件设置打印模型和对打印模型进行切片分层，得到多层切片模型，获得各层切片模型的模型路径的起始点A和终点B；
步骤二：根据起始点A和终点B确定各层切片模型的模型路径点序，构建相邻两点的点间矢量，确定每层的打印矢量，按照弓形打印路径完成平面路径拟合，每层弓形打印路径存在旋转角，所述旋转角为30°～60°或120°～150°，且任意相邻两层的打印路径垂直；
步骤三：选择打印喷头口径和基板；
步骤四：根据电磁吸波混凝土的配方进行配料、搅拌进入输送管，按照步骤二设置的打印路径执行挤出式3D打印过程，打印出电磁吸波混凝土构件。
所述步骤四中，在打印时，设置打印喷头出口截面积为140mm2，水平向打印速度为120～160cm/min，垂直向打印速度为0.2～0.6m/h，挤出速度为0.02～0.06m3/h，单道沉积宽度为15m，单层沉积层高度为7mm。
所述电磁吸波混凝土的配方为：42.5#普通硅酸盐水泥：4～6份，硅灰：0.4～0.6份，球状吸水树脂：0.0095～0.0285份，镀铜钢纤维：0.15-0.2份，石英砂：4.8～5.2份，铜炉渣：1.4～1.6份，增稠剂：0.002～0.006份，减水剂：0.009～0.011份，水：1.7～1.9份。
所述电磁吸波混凝土构件中，层间钢纤维垂直相互搭接，同层条间的钢纤维相互平行，分布在条间与层间的钢纤维作为框架与周围吸波混凝土形成等效波导衰减器超结构，层间钢纤维相互搭接构成类电容器结构，与吸收剂铜炉渣、吸水树脂形成的空穴协同作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、纤维增强等效波导衰减器：打印过程中喷嘴的挤出会对镀铜钢纤维产生定向作用，使得多数纤维平行排列于打印方向，分布在条间与层间的钢纤维作为框架与周围吸波混凝土形成等效波导衰减器超结构，分散在层间的钢纤维可以形成多尺寸等效波导衰减器超结构，不同尺寸的衰减器超结构对应相似波长的电磁波，实现宽频高效电磁波吸收，而且多个衰减器超结构叠加有效提高了结构的介电性能、增强了电磁波的相消干扰和多重散射，从而实现优越的电磁波吸收。层间钢纤维相互搭接构成类电容器结构，等效波导衰减器使局部电荷聚集和重排、界面偶极子极化，与吸收剂铜炉渣、吸水树脂形成的空穴协同作用形成等效波导衰减器模型(参见图1)。铜炉渣作为吸收剂含有大量铁氧体，表现出优异的介电损耗和磁损耗性能，有效提高电磁波的消耗效率，阻抗匹配性能和电磁波吸收性能：通过利用吸水树脂制备3D打印电磁吸波混凝土，并进行定时养护浇水和缩水干燥等工艺步骤，形成规则的闭孔蜂窝结构，可以有效提升混凝土复合材料与空间电磁波阻抗的匹配性能，降低电磁波导致的直接反射效应。同时，通过多次吸收和干涉效应，利用吸水树脂在材料内部产生的多次反射，提高了电磁波的吸收频宽。通过优化打印路径的层间变化和构件旋转角，增强了吸波材料内部的电损耗和磁损耗机制，进一步提高了电磁波的吸收性能。而将任意相邻两层的打印路径垂直设计，实现阻抗梯度增强，能更有效地匹配电磁波的阻抗，提高了吸收效果。
2、本发明电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，实现了宽频段、高吸收的电磁防护效果，有效解决了传统吸波材料吸收频带窄、吸收性能弱的问题，并显著提升了吸波材料的阻抗匹配性能和电磁波吸收性能。
3、降低缺陷概率和避免变形和破坏：通过变更单数层和双数层的打印路径，使任意相邻两层的打印路径垂直相交，从而降低了重复路径打印过程中的缺陷概率，并避免发生过大变形甚至坍塌破坏。这种路径布局还有助于保持构件的结构稳定性，防止出现过大的变形和可能导致坍塌破坏的情况。也通过考虑挤出物料的密实性、连续性和喷嘴移动速度的变化，减少欠(过)填充问题的发生。尽量避免路径急转弯和大曲率路径，使路径具有良好的平滑性，以保持打印喷嘴的适宜移动速度。
4、优化成型工艺和力学性能：通过改变打印路径的层间变化，对3D打印混凝土的成型工艺和力学性能进行了优化。考虑各原料的性能，有利于提高打印构件的几何质量和力学性能。在打印过程中，对混凝土的成型工艺进行细致优化，根据不同原料的特性进行调整，从而提高构件的力学性能。这样的优化措施可以确保混凝土材料在打印过程中得到充分的流动和凝固，从而提高构件的强度和耐久性，同时保证打印构件的几何形状准确无误，满足设计要求。
附图说明
图1是基于电磁吸波混凝土多层3D打印纤维增强等效波导衰减器的原理图。
图2是本发明实施例每层弓字型打印路径旋转角的分布图。
图3是本发明实施例相邻层相位差的样本图。
图4是基于电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划实施例1-4反射率测试。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，所述方法以型号为ZCC_h2020的3D打印机作为3D打印装置、电磁吸波混凝土作为成形材料，应用建模软件规划出切片路径进行3D打印，所述电磁吸波混凝土的配方为42.5#普通硅酸盐水泥：4～6份，硅灰：0.4～0.6份，球状吸水树脂：0.0095～0.0285份(吸水等效20～60％体积掺量)，镀铜钢纤维：0.169份(1％体积掺量)，石英砂：4.8～5.2份，铜炉渣：1.4～1.6份，增稠剂：0.002～0.006份，减水剂：0.009～0.011份，水：1.7～1.9份。所述方法包括以下几个步骤：
步骤一：利用PC端使用建模软件和切片软件设置打印打印模型和对打印模型进行切片分层，得到多层切片模型，获得各层切片模型的模型路径的起始点A和终点B；
步骤二：根据起始点A和终点B确定各层切片模型的模型路径点序，构建相邻两点的点间矢量，确定每层的打印矢量(每层的宽度和厚度)，按照弓形打印路径完成平面路径拟合，每层弓形打印路径存在旋转角，所述旋转角为30°～60°或120°～150°，且任意相邻两层的打印路径垂直；
步骤三：选择打印喷头口径和基板；
步骤四：根据电磁吸波混凝土的配方进行配料、搅拌进入输送管，按照步骤二设置的打印路径执行挤出式3D打印过程，打印出电磁吸波混凝土构件。
所述步骤四中，在打印时，设置打印喷头出口截面积为140mm2，水平向打印速度为120～160cm/min，垂直向打印速度为0.2～0.6m/h，挤出速度为0.02～0.06m3/h，单道沉积宽度为15m，单层沉积层高度为7mm。
该方法用于3D打印构件时采用的打印路径为弓字型路径，且弓形打印路径存在旋转角，旋转角为以30°～60°或120°～150°之间的任意角。任意相邻两层的打印路径垂直，打印同一构件模型时，相邻层打印路径的打印的相位差(不同层的起始点A和终点B连线的夹角为相位差)为90°，弓形打印路径的旋转角的定义为：以打印的第一层为准，以打印件左下顶点为原点，以构件的底边为X轴正方向，建立直角坐标系，弓形打印路径与X轴的正方向的夹角定义为构件旋转角。
本发明中吸水树脂的等效体积掺量指吸水树脂吸水之后的体积/不加吸水树脂的混凝土的体积。
实施例1
本实施例电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，以型号为ZCC_h2020的3D打印机作为挤出式3D打印机，含有钢纤维和吸水树脂的电磁吸波混凝土作为成形材料，应用建模软件规划出切片路径进行3D打印。所述电磁吸波混凝土的配方为42.5#普通硅酸盐水泥：5份，硅灰：0.5份，球状吸水树脂：0.0095份(20％体积掺量)，镀铜钢纤维：0.169份(1％体积掺量)，石英砂：5份，铜炉渣：1.5份，增稠剂：0.002份，减水剂：0.01份，水：1.75份。
电磁吸波混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1、将普通硅酸盐水泥，硅灰，石英砂、镀铜钢纤维和铜炉渣混合搅拌均匀；
S2、向上述步骤S1中添加增稠剂混合搅拌均匀；
S3、向上述步骤S2中添加干重0.0095份的球状吸水树脂，添加时一次性倒入搅拌机中，再添加减水剂和水混合搅拌均匀，搅拌至混合均匀且球状吸水树脂未发生明显膨胀时即可停止搅拌，搅拌时间控制在350-410秒，获得打印浆料；
对打印后的电磁吸波混凝土结构体进行相关性能测试，经测试按照本实施例电磁吸波混凝土配方能够在满足所提出的打印要求的前提下可保证打印过程的顺利进行，且打印后所得结构体稳定结实。
本实施例中打印路径规划方法(如图3(a)所示)是：第一层、第二层、第三层的打印路径均由起始点A到终点B沿箭头方向行进，按照如图2(a)的打印路径进行打印，路径之间的行距为15mm，其中相邻层的起始点A和终点B相位差均为0°，同时弓形打印路径的构件旋转角为90°。
将上述步骤S3中得到的打印浆料送至3D打印机的打印喷头内，设置打印喷头出口截面积为140mm2，水平向打印速度为160cm/min，垂直向打印速度为0.6m/h，挤出速度为0.06m3/h，单道沉积宽度为15m，单层沉积层高度为7mm，然后按照所规划的打印路径进行打印。
对3D打印后的试样用保护膜进行保护，并定时养护浇水，前2h每10-15min浇一次水，使得球状吸水树脂不断吸水至完全长大，之后每4小时浇水养护，使球状吸水树脂保持膨胀状态，一天之后混凝土完全凝固，形成永久的球状吸水树脂膨胀支撑状态，再进行28d水养干燥后获得最终构件。
同等条件下在3D打印混凝土中引入球状吸水树脂时能够显著提高吸波性能，降低混凝土吸收峰值反射率并拓宽了电磁吸波频宽。
实施例2
本实施例中电磁吸波混凝土的配方及制备过程、3D打印工艺参数同实施例1，不同之处在于，打印路径规划方法是：如图3(b)所示，第一层、第二层、第三层的打印路径均由起始点A到终点B沿箭头方向行进，按照如图2(c)的打印路径进行打印，路径之间的行距为15mm，其中相邻层的起始点A和终点B的相位差均为0°，同时弓形打印路径的构件旋转角为45°。打印该实施例的工艺参数为：打印喷头出口截面积为150mm2，水平向打印速度为150cm/min，垂直向打印速度为0.5m/h，挤出速度为0.05m3/h，所述单道沉积宽度为15m，所述单层沉积层高度为7mm。
实施例3
本实施例中电磁吸波混凝土的配方及制备过程同实施例1，不同之处在于，打印路径规划方法是：如图3(c)所示，第一层、第二层、第三层的打印路径均由起始点A到终点B沿箭头方向行进，单数层按照如图2(b)的打印路径进行打印，双数层按照如图2(a)的打印路径进行打印，路径之间的行距为15mm；其中相邻层的起始点A和终点B相位差均为90°，相邻层之间打印路径相互垂直，同时弓形打印路径的构件旋转角为0°。打印该实施例的工艺参数为：打印喷头出口截面积为140mm2，水平向打印速度为140cm/min，垂直向打印速度为0.4m/h，挤出速度为0.04m3/h，所述单道沉积宽度为15m，所述单层沉积层高度为7mm。
实施例4
本实施例中电磁吸波混凝土的配方及制备过程同实施例1，不同之处在于，如图3(d)所示，第一层、第二层、第三层的打印路径均由起始点A到终点B沿箭头方向行进，单数层按照如图2(d)的打印路径进行打印，双数层按照如图2(c)的打印路径进行打印，路径之间的行距为15mm；其中相邻层的起始点A和终点B相位差均为90°，相邻层之间打印路径相互垂直，同时弓形打印路径的构件旋转角为135°。打印该实施例的工艺参数为：打印喷头出口截面积为130mm2，水平向打印速度为130cm/min，垂直向打印速度为0.3m/h，挤出速度为0.03m3/h，所述单道沉积宽度为15m，所述单层沉积层高度为7mm。
将上述实施例1-4获得的构件进行电磁吸波性能测试，测试结果如图4所示，从图4中可以看出，本申请实施例4在反射率小于-10dB的频带更宽，显著优于其他实施例。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，其特征在于，所述电磁吸波混凝土为能3D打印的混凝土，配方中包括吸水树脂和钢纤维；所述方法的具体步骤是：
步骤一：利用PC端使用建模软件和切片软件设置打印模型和对打印模型进行切片分层，得到多层切片模型，获得各层切片模型的模型路径的起始点A和终点B；
步骤二：根据起始点A和终点B确定各层切片模型的模型路径点序，构建相邻两点的点间矢量，确定每层的打印矢量，按照弓形打印路径完成平面路径拟合，每层弓形打印路径存在旋转角，所述旋转角为30°～60°或120°～150°，且任意相邻两层的打印路径垂直；
步骤三：选择打印喷头口径和基板；
步骤四：根据电磁吸波混凝土的配方进行配料、搅拌进入输送管，按照步骤二设置的打印路径执行挤出式3D打印过程，打印出电磁吸波混凝土构件。
2.根据权利要求1所述的电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，其特征在于，所述步骤四中，在打印时，设置打印喷头出口截面积为140mm2，水平向打印速度为120～160cm/min，垂直向打印速度为0.2～0.6m/h，挤出速度为0.02～0.06m3/h，单道沉积宽度为15m，单层沉积层高度为7mm。
3.根据权利要求1所述的电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，其特征在于，所述电磁吸波混凝土的配方为：42.5#普通硅酸盐水泥：4～6份，硅灰：0.4～0.6份，球状吸水树脂：0.0095～0.0285份，镀铜钢纤维：0.15-0.2份，石英砂：4.8～5.2份，铜炉渣：1.4～1.6份，增稠剂：0.002～0.006份，减水剂：0.009～0.011份，水：1.7～1.9份。
4.根据权利要求3所述的电磁吸波混凝土多层3D打印路径规划方法，其特征在于，所述电磁吸波混凝土构件中，层间钢纤维垂直相互搭接，同层条间的钢纤维相互平行，分布在条间与层间的钢纤维作为框架与周围吸波混凝土形成等效波导衰减器超结构，层间钢纤维相互搭接构成类电容器结构，与吸收剂铜炉渣、吸水树脂形成的空穴协同作用。
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